Материал: Технология сварки различных металлов и сплавов

2.3. Характеристики работоспособности сварных соединений и методы их определения

В трубах серийного производства сварные соединения всегда имеют некоторые отклонения формы и размеров, взаимного положения соединяемых кромок от проектных. Радиусы сопряжения швов с основным металлом изменяются в широких пределах. Соединения могут иметь несплошности, подрезы, западания по высоте и ширине усилений. Все эти факторы в сочетании с неоднородностью свойств различных прослоек металла могут оказывать заметное влияние на работоспособность сварных соединений в условиях эксплуатации. Поэтому техническими условиями на трубы устанавливаются нормы на некоторые виды отклонений, превышение которых в сварном соединении труб недопустимо.

При статическом нагружении трубы внутренним давлением степень влияния дефектов на работоспособность оценивают по чувствительности металла сварного соединения к концентрации напряжений, которая может быть оценена методами механики разрушения применительно к трещиноподобным дефектам и теорией концентрации напряжений.

В первом случае в качестве меры чувствительности используют критический коэффициент интенсивности напряжений К_1с, критическое раскрытие в вершине трещины _с и интегральную характеристику I_c. Чем меньше значение указанных величин, тем более чувствителен металл к концентрации напряжений. Однако высокая пластичность и вязкость металла труб затрудняет применение характеристик механики разрушения для оценки работоспособности сварных соединений. Поэтому методы механики разрушения пока' не применяются для оценки работоспособности труб и используются только в исследовательских целях.

Расчет прочности сварных соединений с учетом концентраторов напряжений связан также с большими трудностями, дополнительно осложняемыми неоднородностью свойств. Твердые и мягкие прослойки в сварном соединении при большой степени различия их свойств также могут рассматриваться как концентраторы.

Гидравлические испытания труб до разрушения позволяют получить интегральную оценку сопротивления сварных соединений зарождению разрушений с учетом перечисленных факторов. Согласно принятой во ВНИИСТе методике, при гидравлических испытаниях определяют разрушающие напряжения σ_p = p_pD/h и разрушающую деформацию ε_p по относительному удлинению периметров ε_п (или полупериметров при испытании двухшовных труб). Относительное удлинение ε_п определяют в различных по длине трубы сечениях по формуле ε_п = {П—По)1/П₀ 100 %, где П — длина периметра после испытания трубы; По — то же перед нагружением трубы. Кроме того, измеряют локальные остаточные пластические деформации в различных поперечных сечениях сварных соединений испытываемой трубы. Оценку стойкости против зарождения разрушений в сварных соединениях труб, имеющих естественные концентраторы, производят по ряду коэффициентов. При разрушении труб по основному металлу определяют коэффициент использования прочности основного металла n_σ = σ_p/σ_и (где σ_и — максимальные напряжения, возникающие в трубе при предпусковых испытаниях трубопровода) и коэффициент концентрации деформаций в сварном соединении α_ε = ε_max/ε_p Если разрушение произошло при σ_p ≥ σ_в, считают сварное соединение статически равнопрочным основному металлу трубы.

Чтобы установить степень опасности естественного концентратора реального сварного соединения трубы, необходимо определить его предельную пластичность, соответствующую моменту зарождения трещины в зоне максимальной концентрации деформаций, которая обычно наблюдается в зоне сплавления внутреннего шва.

Применительно к стыковым соединениям труб большого диаметра используется упрощенная методика испытаний на консольный изгиб, позволяющая определять угол изгиба в ослабленном сечении специального образца с последующим пересчетом на характеристику пластичности ε_ср.р. Образец стыкового соединения со снятым со стороны опоры усилением (рис. 50, а) подвергают консольному изгибу в специальном приспособлении (рис. 50, б) до появления трещины по линии сплавления. В процессе нагружения производят запись диаграммы «усилие — перемещение» — F(f)- Величина средней разрушающей деформации на поверхности образца пропорциональна углу изгиба ε_ср.р = Kθ_c, где К — коэффициент, зависящий от типа соединения и свариваемого материала; θ_c — угол поворота, соответствующий появлению трещины. Экспериментально установлено, что для применяемого типа соединений из малоуглеродистых и низколегированных сталей К = 0,7. Интегрируя площадь под кривой диаграммы F(f) до значений f = f_c и относя ее к площади ослабленного сечения, вычисляют удельную работу зарождения трещины а₃, где f_c— перемещение штока в момент разрушения образца.

Определяемые стандартными методами механические характеристики сварных соединений являются средними. Испытания на статическое растяжение и статический изгиб образцов со снятыми усилениями не позволяют установить степень влияния естественных концентраторов напряжения (конфигурации швов и трубы, радиуса сопряжения металла шва с основным металлом, наличия подрезов) на прочность и пластичность. Поэтому характеристики, определяемые стандартными методами испытаний, используются для сравнительной оценки свойств металла шва и различных зон сварного соединения при выборе рациональной технологии сварки, а также как сдаточные нормы для установления соответствия труб техническим условиям на их поставку.

Рис. 49. Размеры образца толщиной h = 17,5 мм со схемами испытаний на статический изгиб по ГОСТ 6996-66 (а) и по API5LX (б)

Рис. 50. Размеры образца толщиной h = 17,5 мм со схемой нагружения (а) и приспособление (б) для испытаний образцов на консольный изгиб

Таким образом, специальные испытания образцов на консольный изгиб позволяют упрощенно определять характеристики сопротивления зарождению разрушений: среднюю разрушающую деформацию ε_ср.р и удельную работу зарождения а₃ трещины в условиях деформирования сварного соединения, близких к действительным при нагружении трубы внутренним давлением.

2.4. Сопротивление сварных соединений зарождению разрушений при динамическом нагружении

В практике определения хладостойкости металла труб большого диаметра принята методика испытаний полнотолщинных крупногабаритных образцов DWTT падающим грузом по схеме трехточечного ударного изгиба согласно техническим условиям на поставку труб. Количество волокнистой составляющей в изломах образцов DWTT, испытанных при регламентированной температуре, является сдаточной характеристикой. Во ВНИИСТе испытания образцов DWTT производятся на маятниковом копре с максимальным запасом энергии маятника А_м = 15 кДж. Копер оснащен регистрирующей аппаратурой, позволяющей в процессе разрушений образца производить запись диаграмм «динамическое усилие на ноже маятника F^д — время t» и «перемещение маятника копра f — время t». Эти диаграммы позволяют построить зависимость F^д (f)и вычислить работу (энергию) зарождения разрушения А₃ и работу распространения А_р. Силоизмерительное устройство копра позволяет регистрировать поглощенную энергию удара А_п при разрушении образца. Разработанная в лаборатории методика обработки результатов испытания образцов DWTT, изложенная ниже, позволяет определить динамические критерии трещиностойкости A₃ и _c^д, характеризующие сопротивление зарождению трещины в металле труб.

Размеры полнотолщинного образца DWTT со стандартным надрезом глубиной 5 мм, а также схема испытания показаны на рис. 51.

При испытании металла шва ось надреза располагают по центру сварного соединения (рис. 52, а), а при испытании металла зоны термического влияния ось надреза проходит на расстоянии у от точки пересечения линий сплавления внутреннего и наружного швов (рис. 52, б). Образцы отбирают поперечные (длинная сторона — поперек оси трубы).

Рис. 52. Схема нанесения надрезов в металле шва (а) и в зоне термического влияния (б) образцов на ударный изгиб

При испытании образцов регистрируется энергия удара А_п, расходуемая на процесс разрушения, и осциллограмма (рис. 53, а). Кривая 1на осциллограмме показывает изменение нагрузки во времени. По тарировочному графику (рис. 53, б) определяют соответствующую данному моменту t₁ динамическую нагрузку F^д. При расшифровке осциллограмму схематизируют, как показано на рис. 53, а, и обрабатывают для получения диаграммы динамическое усилие — перемещение образца. F^д (f) (см. рис. 53, в).

Рис. 53. Осциллограмма разрушения (а), тарировочный график (б) и диаграмма динамического изгиба (в) образца DWTT из сварного соединения трубы 1420х15,7 мм (сталь Х-70, надрез по зоне термического влияния)

Считая, что моменту зарождения трещины соответствует максимум нагрузки F_в^д, интегрируют площадь под кривой в пределах от 0 до f₃ и вычисляют работу зарождения А₃ трещины. На величину F_в^д оказывает влияние сила инерции, возникающая при нагружении образца, которую необходимо вычесть из значения F_в^д. Однако при толщине образцов до 20 мм инерционные силы не оказывают влияния на величину максимального усилия. Поэтому в наших работах силы инерции не учитывались. Для оценки возможности использования характеристики A₃ при определении удельной работы разрушения как критерия динамической трещиностойкости сварных соединений исследовали деформированное состояние образцов DWTT после разрушений. В зоне разрушения от вершины надреза на обеих поверхностях образца наносили измерительные базы; b_x в направлении оси Ох и b_у в направлении оси Оу (рис. 54, а). Деформации ε_z измеряли в центре каждой пары измерительных баз.

Средние по обеим поверхностям испытанного образца компоненты пластических деформаций в сечении x = 10 мм показаны на рис.54, б. Установлено, что деформации ε_x по величине близки к нулю, т. е. в процессе зарождения и вязкого распространения разрушения продольное удлинение кромок практически отсутствует. Из условия постоянства объема должно быть ε_у = -ε_z, что и подтверждается кривыми. Аналогичное распределение деформаций имело место и для других значений х, вплоть до x = 50 мм, когда на деформированное состояние образца накладываются деформации, вызванные ударом бойка. Установленное соотношение показывает, что пластическая деформация ограничена плоскостью yz. Поэтому в дальнейшем при определении области пластических деформаций вблизи надреза измеряли только поперечные деформации в интересующем сечении.

Рис. 54. Схема нанесения измерительных баз (а) и распределение средних пластических деформаций в сечении х = 10 (б) после вязкого разрушения образца DWTT из трубы 1020х12 мм (сталь 17Г1С)